Плотность металла это определение

Обновлено: 20.09.2024

Плотность – это скалярная физическая величина, которая определяется как отношение массы тела к занимаемому им объему.

Данную величину обычно обозначают греческой буквой r или латинскими D и d. Единицей измерения плотности в системе СИ принято считать кг/м 3 , а в СГС – г/см 3 .

Плотность можно вычислить по формуле:

Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму.

Например, при нормальных условиях масса диокисда углерода в объеме 1 л равна 1,98 г, а масса водорода в том же объеме и при тех же условиях – 0,09 г, откуда плотность диоксида углерода по водороду составит: 1,98 / 0,09 = 22.

Как рассчитать плотность вещества

Обозначим относительную плотность газа m₁ / m₂ буквой D. Тогда

Следовательно, молярная масса газа равна его плотности по отношению у другому газа, умноженной на молярную массу второго газа.

Часто плотности различных газов определяют по отношению к водороду, как самому легкому из всех газов. Поскольку молярная масса водорода равна 2,0158 г/моль, то в этом случае уравнение для расчета молярных масс принимает вид:

или, если округлить молярную массу водорода до 2:

Вычисляя, например, по этому уравнению молярную массу диоксида углерода, плотность которого по водороду, как указано выше равна 22, находим:

M(CO₂) = 2 × 22 = 44 г/моль.

Примеры решения задач

Задание	Вычислите объем воды и массу поваренной соли NaCl, которые потребуются для приготовления 250 мл 0,7 М раствора. Плотность раствора принять равной 1 г/см . Какова массовая доля хлорида натрия в таком растворе?
Решение	Молярная концентрация раствора равная 0,7 М свидетельствует о том, что в 1000 мл раствора содержится 0,7 моль соли. Тогда, можно узнать, количество вещества соли в 250 мл этого раствора:

n(NaCl) = 250 × 0,7 / 1000 = 0,175 моль.

Найдем массу 0,175 моль хлорида натрия:

M(NaCl) = Ar(Na) + Ar(Cl) = 23 + 35,5 = 58,5 г/моль.

m(NaCl) = n(NaCl) × M(NaCl);

m(NaCl) = 0,175 × 58,5 = 10,2375 г.

Вычислим массу воды, необходимую для получения 250 мл 0,7 М раствора поваренной соли:

m_solution = V ×r = 250 × 1 = 250 г.

m(H₂O) = 250 – 10,2375 = 239,7625 г.

Задание	Вычислите объем воды и массу нитрата калия KNO₃, которые потребуются для приготовления 150 мл 0,5 М раствора. Плотность раствора принять равной 1 г/см . Какова массовая доля нитрата калия в таком растворе?
Решение	Молярная концентрация раствора равная 0,5 М свидетельствует о том, что в 1000 мл раствора содержится 0,7 моль соли. Тогда, можно узнать, количество вещества соли в 150 мл этого раствора:

n(KNO₃) = 150 × 0,5 / 1000 = 0,075 моль.

Найдем массу 0,075 моль нитрата калия:

M(KNO₃) = Ar(K) + Ar(N) + 3×Ar(O) = 39 + 14 + 3×16 = 53 + 48 = 154 г/моль.

m(KNO₃) = 0,075 ×154 = 11,55 г.

Вычислим массу воды, необходимую для получения 150 мл 0,5 М раствора нитрата калия:

Плотность металлов в кг/м3: таблица. Экспериментальное и теоретическое определение плотности

Металлы - это химические элементы, которые составляют большую часть периодической таблицы Д. И. Менделеева. В данной статье рассмотрим такое важное их физическое свойство, как плотность, а также приведем таблицу плотности металлов в кг/м3 .

Плотность вещества

Прежде чем разобраться с плотностью металлов в кг/м3, познакомимся с самой физической величиной. Плотностью называют отношение массы тела m к его объему V в пространстве, что математически можно записать так:

Изучаемую величину обычно обозначают буквой греческого алфавита ρ (ро).

Если разные части тела имеют отличные массы, то с помощью записанной формулы можно определить среднюю плотность. При этом локальная плотность может значительно отличаться от средней.

Как видно из формулы, величина ρ выражается в кг/м 3 в системе СИ. Она характеризует количество вещества, которое помещается в единице его объема. Эта характеристика во многих случаях является визитной карточкой веществ. Так, у разных металлов плотность в кг/м3 является различной, что позволяет их идентифицировать.

Металлы и их плотность

Металлические материалы представляют собой твердые вещества при комнатной температуре и атмосферном давлении (исключением является лишь ртуть). Они обладают высокой пластичностью, электро- и теплопроводностью и имеют характерный блеск в отполированном состоянии поверхности. Многие свойства металлов связаны с наличием у них упорядоченной кристаллической решетки, в узлах которой сидят положительные ионные остовы, связанные друг с другом с помощью отрицательного электронного газа.

Что касается плотности металлов, то она изменяется в широких пределах. Так, наименее плотными являются щелочные легкие металлы, такие как литий, калий или натрий. Например, плотность лития составляет 534 кг/м 3 , что практически в два раза меньше аналогичной величины для воды. Это означает, что пластинки из лития, калия и натрия не будут тонуть в воде. С другой стороны, такие переходные металлы, как рений, осмий, иридий, платина и золото, обладают огромной плотностью, которая в 20 и более раз превышает ρ воды.

Ниже приведена таблица плотности металлов. Все значения соответствуют комнатной температуре в г/см 3 . Если эти значения умножить на 1 000, то мы получим ρ в кг/м 3 .

Почему существуют металлы с высокой плотностью и с низким ее значением? Дело в том, что значение ρ для каждого конкретного случая определяется двумя основными факторами:

Особенностью кристаллической решетки металла. Если эта решетка будет содержать атомы в максимально плотной упаковке, тогда макроскопическая его плотность будет выше. Самой плотной упаковкой обладают ГЦК и ГПУ решетки.
Физическими свойствами атома металла. Чем больше его масса и чем меньше радиус, тем выше значение ρ. Этот фактор объясняет, почему металлами с высокой плотностью являются химические элементы с большим номером в периодической таблице.

Экспериментальное определение плотности

Предположим, у нас имеется кусок неизвестного металла. Как можно определить его плотность? Вспоминая формулу для ρ, приходим к ответу на заданный вопрос. Для определения плотности металла достаточно взвесить его на каких-либо весах и измерить объем. Затем следует первую величину разделить на вторую, не забывая об использовании правильных единиц измерения.

Если геометрическая форма тела является сложной, то объем его измерить будет нелегко. В таких случаях можно воспользоваться законом Архимеда, поскольку объем вытесненной жидкости при погружении тела будет точно равен измеряемому объему.

На использовании закона Архимеда также основан метод гидростатических весов, изобретенных в конце XVI века Галилеем. Суть метода заключается в измерении веса тела в воздухе, а затем в жидкости. Если первую величину обозначить P₀, а вторую - P₁, тогда плотность металла в кг/м3 вычисляется по такой формуле:

Где ρ_l - плотность жидкости.

Теоретическое определение плотности

В приведенной выше таблице плотностей химических элементов красным обозначены металлы, для которых приведена теоретическая плотность. Эти элементы являются радиоактивными, и получены они были искусственно в небольших количествах. Указанные факторы затрудняют их точное измерение плотности. Однако величину ρ можно успешно рассчитать.

Метод теоретического определения плотности достаточно прост. Для этого нужно знать массу одного атома, количество атомов в элементарной кристаллической решетке и тип этой решетки.

Для примера приведем расчет для железа. Его атом имеет массу 55,847 а.е.м. Железо при комнатных условиях имеет ОЦК решетку с параметром 2,866 ангстрема. Поскольку на один элементарный кубик ОЦК приходится два атома, то получаем:

ρ = 2 * 55,847 * 1,66 * 10 -27 / (2,866 3 * 10 -30 ) = 7,876 кг/м 3

Если сравнить это значение с табличным, то видно, что различаются они лишь в третьем знаке после запятой.

Плотность

Пло́тность — скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму. Более строгое определение плотности требует уточнение формулировки:

Средняя плотность тела — отношение массы тела к его объёму. Для однородного тела она также называется просто плотностью тела.
Плотность вещества — это плотность тел, состоящих из этого вещества. Отсюда вытекает и короткая формулировка определения плотности вещества: плотность вещества — это масса его единичного объёма.
Плотность тела в точке — это предел отношения массы малой части тела ( ), когда этот объём стремится к нулю [1] , или, записывая кратко, " />
. При таком предельном переходе необходимо помнить, что на атомарном уровне любое тело неоднородно, поэтому необходимо остановиться на объёме, соответствующем используемой физической модели.

Содержание

Виды плотности и единицы измерения

Исходя из определения плотности, её размерность кг/м³ в системе СИ и в г/см³ в системе СГС.

Для сыпучих и пористых тел различают:

истинную плотность, определяемую без учёта пустот; , рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему занимаемому им объёму.

Истинную плотность из кажущейся получают с помощью величины коэффициента пористости — доли объёма пустот в занимаемом объёме.

Формула нахождения плотности

Плотность (плотность однородного тела или средняя плотность неоднородного) находится по формуле:

," />

где m — масса тела, V — его объём; формула является просто математической записью определения термина «плотность», данного выше.

Плотность тела в точке записывается как ," />
тогда масса неоднородного тела (тела с плотностью, зависящей от места) рассчитывается как

Зависимость плотности от температуры

Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, хотя встречаются вещества, чья плотность ведёт себя иначе, например, вода, бронза и чугун. Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры относительно этого числа.

При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Правда, вода является исключением из этого правила, её плотность при затвердевании уменьшается.

Диапазон плотностей в природе

Для различных природных объектов плотность меняется в очень широком диапазоне.

Самую низкую плотность имеет межгалактическая среда (2·10 −31 ÷5·10 −31 кг/м³) [2] .
Плотность межзвёздной среды приблизительно равна 10 −23 ÷10 −21 кг/м³.
Средняя плотность Солнца примерно в 1,5 раза выше плотности воды.
Средняя плотность красных гигантов на много порядков меньше, чем у Солнца, из-за того, что их радиус в сотни раз больше.
Средняя плотность Земли равна 5520 кг/м³. при атмосферном давлении и температуре −253 °C имеет плотность 70 кг/м³.
Плотность жидкого гелия при атмосферном давлении равна 130 кг/м³.
Плотность пресной воды составляет 1000 кг/м³. имеет плотность 2600 кг/м³.
Плотность железа равна 7874 кг/м³.
Наибольшую плотность среди металлов имеет осмий (22 587 кг/м³).
Плотность атомных ядер приблизительно равна 2·10 17 кг/м³.
Плотность белых карликов составляет 10 8 ÷10 12 кг/м³.
Плотность нейтронных звёзд имеет порядок 10 17 ÷10 18 кг/м³.
Теоретически верхнюю границу представляет планковская плотность (современная физика оценивает её в 5,1·10 96 кг/м³, хотя не исключено, что она очень сильно завышена).

Плотности астрономических объектов

Средние плотности планет Солнечной системы и Солнца:

Межпланетная среда в Солнечной системе достаточно неоднородна и может меняться во времени, её плотность в окрестностях Земли ~10 −21 ÷10 −20 кг/м³.
Плотность межзвёздной среды ~10 −23 ÷10 −21 кг/м³.
Плотность межгалактической среды от 2×10 −34 до 5×10 −34 кг/м³.
Средняя плотность красных гигантов на много порядков меньше из-за того, что их радиус в сотни раз больше, чем у Солнца.
Плотность белых карликов 10 8 ÷10 12 кг/м³
Плотность нейтронных звёзд имеет порядок 10 17 ÷10 18 кг/м³.

Средняя (по объёму под горизонтом событий) плотность чёрной дыры

у чёрной дыры с массой порядка солнечной превышает ядерную плотность,
у сверхмассивной чёрной дыры с массой в 10 9 солнечных масс (существование таких чёрных дыр подозревается в квазарах) оставляет около 20 кг/м³,
у сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики может быть 0,2 кг/м³.

Плотности некоторых газов

Плотности некоторых жидкостей

Плотность некоторых пород древесины

Измерение плотности

Для измерения плотности используются:

— прибор для измерения истинной плотности (денсиметр, плотномер) — измеритель плотности жидкостей. и бур Зайдельмана — приборы для измерения плотности почвы. — прибор для измерения плотности жидкости и газа под давлением.

См. также

Примечания

↑ Подразумевается также, что область стягивается к точке, то есть, не только ее объем стремится к нулю (что могло бы быть не только при стягивании области к точке, но, например, к отрезку), но также стремится к нулю и ее диаметр (максимальный линейный размер).
↑Агекян Т. А. Расширение Вселенной. Модель Вселенной. // Звёзды, галактики, Метагалактика / Под ред. А. Б. Васильева. — 3-е изд. — М .: Наука, 1982. — С. 249. — 416 с.
↑ (англ.) Planetary Fact Sheet
↑ (англ.) Sun Fact Sheet

Ссылки

Источники

Большая советская энциклопедия
Физическая энциклопедия под. ред. А. М. Прохорова. Москва. Научное издательство «Большая российская энциклопедия», 1992 г. Т.3, стр.637.

Физические величины по алфавиту
Плотность

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Плотность" в других словарях:

ПЛОТНОСТЬ — ПЛОТНОСТЬ, плотности, жен. 1. только ед. отвлеч. сущ. к плотный. Плотность населения. Плотность ткани. Плотность воздуха. Плотность огня (воен.). 2. Масса какого нибудь тела, заключенная в единице его объема (физ.). За единицу плотности… … Толковый словарь Ушакова

ПЛОТНОСТЬ — (r), масса единицы объема вещества. В СИ единица плотности 1 кг/м3. Отношение плотностей двух веществ называется относительной плотностью (обычно плотность веществ определяют относительно плотности дистиллированной воды). Малой плотностью… … Современная энциклопедия

ПЛОТНОСТЬ — (обозначение r) отношение массы к объему для данного вещества, обычно выражаемое в единицах СИ как килограммы на кубический метр (кг/м 1). Эта величина является показателем концентрации частиц в материале. Плотность твердого или жидкого вещества… … Научно-технический энциклопедический словарь

плотность — густота, концентрация; массивность, тесность, коренастость, тучность, насыщенность, кряжистость, компактность, уплотненность, кучность Словарь русских синонимов. плотность компактность Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М … Словарь синонимов

плотность — (density) – это отношение массы тела к его объему. Выражается в кг/дм3 или в кг/м3. Объем зависит от температуры (в большой степени) и давления (в небольшой степени), следовательно, вязкость тоже зависит от этих параметров. С ростом температуры и … Автомобильный словарь

Плотность — (r), масса единицы объема вещества. В СИ единица плотности 1 кг/м3. Отношение плотностей двух веществ называется относительной плотностью (обычно плотность веществ определяют относительно плотности дистиллированной воды). Малой плотностью… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Плотность — – характеристика вещества, определяемая отношением массы вещества, заключенной в некотором объеме, к величине этого объема. [Блюм Э. Э. Словарь основных металловедческих терминов. Екатеринбург 2002] Плотность – масса единичного объема … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

ПЛОТНОСТЬ — (1) вещества (объёмная) одна из основных физ. характеристик вещества, в нормальных условиях численно равная отношению массы т однородного тела к его объёму V, обозначается р. В СИ выражается в кг/м3. П. вещества растёт с увеличением давления и,… … Большая политехническая энциклопедия

ПЛОТНОСТЬ — (?) масса единичного объема вещества. Величина, обратная удельному объему. Отношение плотности двух веществ называют относительной плотностью (обычно плотность веществ определяют относительно плотности дистиллированной воды) … Большой Энциклопедический словарь

ПЛОТНОСТЬ — (r), величина, определяемая для однородного в ва его массой в единице объёма. П. неоднородного в ва в определённой точке предел отношения массы т тела к его объёму V, когда объём стягивается к этой точке. Средняя П. неоднородного тела также есть… … Физическая энциклопедия

ПЛОТНОСТЬ — (Density) масса данного тела, заключенная в единице объема. За единицу плотности принимается плотность воды при 4° Цельсия. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь

Плотность металлов

Металлы – химические элементы, расположенные в левой и нижней части Периодической системы Д.И. Менделеева.

Особое строение кристаллических решеток металлов придает им ряд общих свойств.

К одним из наиболее важных физических свойств металлов относятся плотность, твердость и температура плавления. Эти свойства у металлов весьма различны.

Например, наименьшую плотность имеют щелочные металлы, а наибольшую – осмий. Металлы, плотность которых меньше пяти, условно принято называть легкими металлами, а металлы с плотностью больше пяти – тяжелыми.

По твердости металлы сравнивают с алмазом, твердость которого принята за 10. Самыми мягкими являются щелочные металлы, а самым твердым – хром.

Все металлы обладают металлическим блеском. Это свойство объясняется тем, что металлы хорошо отражают от своей поверхности световые лучи. Металлы отражают также радиоволны, что используется в радиотелескопах, улавливающих радиоизлучения искусственных спутников Земли, и в радиолокаторах, обнаруживающих самолеты на больших расстояниях.

Металлы – хорошие проводники электричества и теплоты. Это зависит от наличия в металлических решетках свободных электронов, которые в электрическом поле перемещаются от отрицательного к положительному полюсу. Электрическая проводимость и теплопроводность металлов неодинакова. Она увеличивается от ртути к серебру.

Из наиболее доступных металлов хорошей электрической проводимостью обладают медь и алюминий, поэтому они используются в качестве проводников электрического тока.

Многие металлы пластичны и обладают хорошей ковкостью, что также объясняется особенностью металлической связи. Так как ионы в металлической решетке друг с другом непосредственно не связаны, отдельные слои их могут свободно перемещаться один относительно другого. Самые хрупкие металлы находятся в V, VI и VII группах Периодической системы Д.И. Менделеева.

Распространенность металлов в природе

Самым распространенным металлом в земной коре является алюминий. За ним следуют железо, кальций, натрий, калий, магний и титан. Содержание остальных металлов незначительно. Так, например, хрома в земной коре всего лишь 0,3, никеля – 0,2, а меди – 0,01%.

Металлы встречаются в природе как в свободном, так и в виде различных соединений.

Краткая характеристика химических свойств и плотность металлов

Наиболее общими химическими свойствами металлов является способность их атомов при химических реакциях отдавать валентные электроны и превращаться в положительно заряженные ионы.

Наиболее энергично металлы реагируют с кислородом и серой, электроотрицательность которых велика:

В этих реакциях окислителем является соответствующий неметалл.

Металлы могут окисляться также ионами водорода и ионами других металлов. Например, в ходе реакций взаимодействия металлов с водой, с кислотами и растворами солей:

Zn + 2HCl = Zn + H₂;

Задание

При полном сгорании кислородсодержащего органического вещества массой 13,8 г получили 26,4 г углекислого газа и 16,2 г воды. Найдите молекулярную формулу вещества, если относительная плотность его паров по водороду равна 23.

Решение

Составим схему реакции сгорания органического соединения обозначив количество атомов углерода, водорода и кислорода за «x», «у» и «z» соответственно:

Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м.

Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr):

M(CO₂) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль;

M(H₂O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль.

m(C) = [26,4 / 44]×12 = 7,2г;

m(H) = 2×16,2 / 18 ×1= 1,8 г.

Определим химическую формулу соединения:

x:y:z = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H) : m(O)/Ar(O);

x:y:z = 7,2/12 :1,8/1 : 4,8/16;

x:y:z = 0,6 : 1,8 : 0,3 = 2 : 6 : 1.

Значит простейшая формула соединения C₂H₆O, а его молярная масса равна 46 г/моль [M(C₂H₆O) = 2×Ar(C) + 6×Ar(H) + Ar(O)= 2×12 + 1×6 + 16 = 24 + 6 + 16 = 46 г / моль].

Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по водороду:

M_substance = 2 × 23 = 46 г/моль.

Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение полученных молярных масс:

Значит молекулярная формула вещества будет иметь вид C₂H₆O.

Задание	Массовая доля фосфора в одном из его оксидов равна 56,4%. Плотность паров оксида по воздуху равна 7,59. Установите молекулярную формулу оксида.
Решение	Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:

ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.

ω (O) = 100% – ω (P) = 100% – 56,4% = 43,6%.

Обозначим число атомов фосфора в молекуле через «х», число атомов кислорода через «у».

Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов азота и водорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел).

Ar(P) = 31; Ar(O) = 16.

Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения:

x:y = ω(P)/Ar(P) : ω (O)/Ar(O);

x:y = 56,4/31 : 43,6/16;

x:y = 1,82 : 2,725 = 1 : 1,5 = 2 : 3.

Значит простейшая формула соединения фосфора и кислорода имеет вид P₂O₃.

Значение молярной массы газа можно определить при помощи его плотности по воздуху:

M_gas = 29 × 7,59 = 220 г/моль.

Чтобы найти истинную формулу соединения фосфора и кислорода найдем отношение полученных молярных масс:

M(P₂O₃) = 2 ×Ar(P) + 3 × Ar(O) = 2 ×31 + 3 × 16 = 62 + 48 = 110г/моль.

Значит индексы атомов фосфора и кислорода должны быть в 2 раза выше, т.е. формула вещества будет иметь вид P₄O₆.

Читайте также: